工程师解开电化学臭氧生产中的催化与腐蚀之谜

匹兹堡大学和费城德雷克塞尔大学的研究人员以及布鲁克海文国家实验室正在努力解开一个多方面的谜团，以使水消毒处理更加可持续。

用于消毒污水的可扩展电化学臭氧生产(EOP)技术有一天可能会取代目前使用的集中式氯处理技术，无论是在现代城市还是偏远村庄。然而，人们对分子水平上的EOP以及如何使其成为可能的技术变得高效、经济和可持续了解甚少。

他们的研究成果“电化学臭氧生产中催化剂腐蚀与均相活性氧之间的相互作用”最近发表在《ACSCatalysis》杂志上。

主要作者是德雷塞尔博士。学生RayanAlaufey和德雷塞尔大学的贡献研究人员，包括化学和生物工程副教授MaureenTang、博士后研究员AndrewLindsay博士。学生TanaSiboonruang和化学副教授EzraWood;联合PIJohnA.Keith，皮特大学化学与石油工程系副教授，研究生LingyanZhu;和来自布鲁克海文的秦吴。

“自19世纪以来，人们就使用氯来处理饮用水，但今天我们更好地了解氯可能并不总是最佳选择。例如，EOP可以直接在水中产生臭氧，这是一种与氯具有大致相同消毒能力的分子。

“与稳定存在于水中的氯不同，水中的臭氧会在大约20分钟后自然分解，这意味着在从水龙头喝水、在游泳池游泳或在医院清洗伤口时，它不太可能对人体造成伤害。”Keith解释说，他也是皮特斯旺森工程学院能源系的RKMellon教员。

“用于可持续消毒的EOP在一些市场上很有意义，但要做到这一点需要足够好的催化剂，而且由于尚未找到足够好的EOP催化剂，EOP过于昂贵且能源密集，不适合更广泛的使用。

“我和我的同事认为，如果我们能够在原子水平上解码普通EOP催化剂的工作原理，也许我们可以设计出更好的EOP催化剂。”

解开EOP催化剂的工作原理对于了解如何更好地设计迄今为止已知的最有前途且毒性最小的EOP催化剂之一：镍和锑掺杂的氧化锡(Ni/Sb–SnO2，​​或NATO)至关重要。

电臭氧产生的表现以及对分子水平上真正发生的情况的研究。图片来源：约翰·基思

基思说，其中存在一个难题：北约中的每个原子在帮助EOP方面发挥了什么作用?臭氧是按照我们想要的方式催化形成的，还是因为催化剂正在分解而形成，未来需要开展工作以使北约催化剂更加稳定?

令人惊讶的是，研究人员发现它可能是两者的混合。

通过使用实验电化学分析、质谱分析和计算量子化学模型，研究人员创建了一个“原子尺度的故事情节”来解释臭氧是如何在北约电催化剂上产生的。

他们首次发现北约中的一些镍可能通过腐蚀从电极中浸出，而这些镍原子现在漂浮在催化剂附近的溶液中，可以促进最终产生臭氧的化学反应。

“如果我们想制造更好的电催化剂，我们需要了解哪些部分在工作，哪些部分不工作。金属离子浸出、腐蚀和溶液相反应等因素可能会让催化剂看起来以一种方式工作，但实际上它在工作其他方式。”

Keith指出，在其他研究人员对EOP和其他电催化过程进行改进之前，确定远离催化剂发生的腐蚀和化学反应的普遍程度是澄清的重要步骤。

他们在结论中指出，“识别或反驳这种基本技术限制的存在对于EOP和其他先进电化学氧化工艺的未来应用至关重要。”

“我们知道电化学水处理只能在小规模上发挥作用，但更好的催化剂的发现将把它推向全球规模。下一步是在更耐腐蚀的材料中寻找新的原子组合，同时促进经济和可持续可行的EOP，”基思说。